活細(xì)胞能夠?qū)λ鼈冇龅降沫h(huán)境信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。這些計(jì)算本質(zhì)上可以是連續(xù)的或類似的 - 眼睛適應(yīng)光照水平逐漸變化的方式。它們也可以是數(shù)字化的，涉及簡(jiǎn)單的開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程，例如細(xì)胞開(kāi)始自己的死亡。相反，合成生物系統(tǒng)傾向于關(guān)注模擬或數(shù)字處理，限制了它們可以使用的應(yīng)用范圍。

但現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，將模擬和數(shù)字計(jì)算整合到活細(xì)胞中，使它們能夠形成能夠進(jìn)行復(fù)雜處理操作的基因電路。在今天發(fā)表在Nature Communications雜志上的論文中提出的合成電路能夠測(cè)量模擬輸入的水平，例如與疾病相關(guān)的特定化學(xué)物質(zhì)，并決定水平是否在正確的范圍內(nèi)開(kāi)啟輸出，例如治療疾病的藥物。

根據(jù)電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物工程副教授，合成生物學(xué)負(fù)責(zé)人Timothy Lu的說(shuō)法，他們就像電子設(shè)備一樣，稱為比較器，它采用模擬輸入信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室小組，與前微生物學(xué)博士生雅各布魯本斯一起領(lǐng)導(dǎo)該研究。

“合成生物學(xué)的大部分工作都集中在數(shù)字方法上，因?yàn)閇數(shù)字系統(tǒng)]更容易編程，”Lu說(shuō)。然而，由于數(shù)字系統(tǒng)基于諸如0或1的簡(jiǎn)單二進(jìn)制輸出，執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算操作需要使用大量部件，這在合成生物系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)。

“數(shù)字基本上是一種計(jì)算方式，你可以從非常簡(jiǎn)單的部分獲得智能，因?yàn)槊總€(gè)部分只做一件非常簡(jiǎn)單的事情，但當(dāng)你把它們放在一起時(shí)，你會(huì)得到一些非常聰明的東西，”Lu說(shuō)。“但這要求你能夠?qū)⑦@些部件中的許多部分放在一起，而生物學(xué)中的挑戰(zhàn)，至少目前，就是你無(wú)法在一塊硅片上組裝數(shù)十億個(gè)晶體管，”他說(shuō)。

研究人員開(kāi)發(fā)的混合信號(hào)裝置基于多種元素。閾值模塊由檢測(cè)特定化學(xué)品的模擬水平的傳感器組成。

該閾值模塊控制第二組分即重組酶基因的表達(dá)，該第二組分又可以通過(guò)反轉(zhuǎn)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉DNA片段，從而將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。

如果化學(xué)物質(zhì)的濃度達(dá)到一定水平，則閾值模塊表達(dá)重組酶基因，使其翻轉(zhuǎn)DNA片段。該DNA片段本身含有基因或基因調(diào)控元件，然后改變所需輸出的表達(dá)。

“這就是我們采用模擬輸入的方式，例如化學(xué)物質(zhì)的濃度，并將其轉(zhuǎn)換為0或1信號(hào)，”Lu說(shuō)。“一旦完成，并且你有一塊可以顛倒翻轉(zhuǎn)的DNA，那么你可以把任何這些DNA片段放在一起進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，”他說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了一個(gè)模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路，該電路實(shí)現(xiàn)了三元邏輯，這種器件只能響應(yīng)輸入的高或低濃度范圍而接通，并且能夠產(chǎn)生兩個(gè)不同的輸出。

他說(shuō)，未來(lái)，該電路可用于檢測(cè)血液中的葡萄糖水平，并根據(jù)濃度以三種方式之一作出反應(yīng)。

“如果葡萄糖水平太高，你可能希望你的細(xì)胞產(chǎn)生胰島素，如果葡萄糖太低，你可能希望它們制造胰高血糖素，如果它在中間，你就不希望它們做任何事情，”他說(shuō)。

Lu說(shuō)，類似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路也可用于檢測(cè)各種化學(xué)物質(zhì)，只需更換傳感器即可。

研究人員正在研究使用模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)檢測(cè)炎癥性腸病引起的腸道炎癥水平的想法，以及釋放不同量的藥物作為反應(yīng)。

用于癌癥治療的免疫細(xì)胞也可以被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)不同的環(huán)境輸入，例如氧氣或腫瘤溶解水平，并且響應(yīng)地改變它們的治療活性。

其他研究小組也對(duì)將這些設(shè)備用于環(huán)境應(yīng)用感興趣，例如檢測(cè)水污染物濃度的工程細(xì)胞，Lu說(shuō)。

研究小組最近創(chuàng)建了一家名為Synlogic的衍生公司，該公司現(xiàn)在正試圖使用??簡(jiǎn)單版本的電路來(lái)設(shè)計(jì)可以治療腸道疾病的益生菌。

該公司希望在未來(lái)12個(gè)月內(nèi)開(kāi)始對(duì)這些基于細(xì)菌的治療進(jìn)行臨床試驗(yàn)。